某車型的塑料側(cè)圍外板設(shè)計

王鎮(zhèn)斌　劉小杰　張二榮　徐夢飛　宋劉洋

摘 要：汽車側(cè)圍裝飾外板是車輛重要的造型件。傳統(tǒng)金屬側(cè)圍外板存在模具投資高、焊接固定導(dǎo)致維修成本高、采用沖壓工藝使其無法體現(xiàn)復(fù)雜造型特征等限制條件。為解決以上缺點，同時基于輕量化要求的考慮，車身側(cè)圍外板可以嘗試采用塑料材質(zhì)。塑料側(cè)圍外板通過不同的固定結(jié)構(gòu)和搭接形式固定在車身骨架上可以保證固定的牢靠性，同時滿足傳統(tǒng)金屬側(cè)圍外板的基本性能要求。

關(guān)鍵詞：塑料側(cè)圍外板；性能；剛度；材料；輕量化

中圖分類號：U463.8 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）06-0070-05

Abstract： Side-panel is an important styling part. The traditional metal side-panel has some disadvantages， e.g.， high moulds investment， high cost for maintenance caused by welding， limitation for complex styling features caused by its stamping process， etc. Considering the requirement of lightweight， the side-panel can be tried to using plastic material to solve these problems. Fixed on body frame by different structure and connection type， plastic side-panel can ensure the reliability， moreover， it can meet the basic performance of metal side-panel.

Key Words： Plastic side-panel； performance； stiffness； material； lightweight

引 言

傳統(tǒng)車輛的側(cè)圍外板采用金屬沖壓成型、焊接工藝和白車身骨架焊接成一體結(jié)構(gòu)，金屬側(cè)圍外板因沖壓工藝限制，難以實現(xiàn)銳利和復(fù)雜的造型特征；另外金屬側(cè)圍外板沖壓成型模具一般投資較大；金屬側(cè)圍外板一般采用焊接固定，后市場維修時對其進行更換難度較大。塑料側(cè)圍外板和金屬側(cè)圍相比，因采用注塑成型、分件組裝的工藝，具有模具投資較小、容易實現(xiàn)復(fù)雜的造型特征、拆裝便捷和較好的輕量化優(yōu)勢，但塑料側(cè)圍外板因材料原因致使剛度和尺寸穩(wěn)定性相對金屬側(cè)圍外板稍差，需要通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計進行改善。

1 側(cè)圍外板功能分析

側(cè)圍外板最重要的功能之一就是體現(xiàn)車輛側(cè)圍區(qū)域的造型特征，因此美學(xué)功能為其最重要的功能之一，主要涉及造型特征的體現(xiàn)以及各部件的良好的遮蔽、匹配搭接美觀等；側(cè)圍外板是乘員感知車輛的第一部件，也是乘員上下車時最易觸碰部件，因此需要一定的剛度，避免造成因按壓剛度不足造成乘員抱怨，因此支撐剛度為側(cè)圍外板的另一重要功能；側(cè)圍外板下部門檻區(qū)域是乘員上下車時容易踩踏部位，因此需具備的一定的抗踩踏剛度，防止因踩踏造成下部門檻區(qū)域變形或配合關(guān)系變差的問題；側(cè)圍外板和周邊配合的環(huán)境件較多，因此也需要具備一定的尺寸穩(wěn)定性能以保證車輛在不同使用環(huán)境時和周邊件匹配關(guān)系穩(wěn)定；側(cè)圍外板為車身外側(cè)第一層防護部件，作為防護部件一個主要功能就是保證在輕微刮碰的情況下不易損壞或容易更換，以此來降低的維修成本；側(cè)圍外板作為車身外側(cè)第一層防護部件，還需要具備一定密封功能，其包含自身固定結(jié)構(gòu)的密封以及和車門配合形成的車門密封等。綜上所述，側(cè)圍外板的功能主要包括美學(xué)功能、支撐剛度、抗踩踏剛度、尺寸穩(wěn)定性、抗刮擦防護、密封等5大功能。

2 塑料側(cè)圍外板工藝簡化

側(cè)圍外板在結(jié)構(gòu)上需要形成門洞結(jié)構(gòu)，在形成門洞結(jié)構(gòu)時會出現(xiàn)如A柱區(qū)域等細長、形狀復(fù)雜的局部結(jié)構(gòu)形式。塑料側(cè)圍外板一般通過注塑成型，如果整體注塑成型時注塑模具復(fù)雜，注塑壓力需求過大，同時由于塑料件收縮特性會導(dǎo)致A柱等細長結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形量，無法保證生產(chǎn)尺寸穩(wěn)定性，因此為了最大化的減少注塑模具成本投資，保證注塑工藝簡單可行。如圖示2所示塑料側(cè)圍外板進行分件設(shè)計，對門洞和側(cè)窗玻璃區(qū)域形成的細長結(jié)構(gòu)進行拆分設(shè)計，拆分為A柱裝飾板（前）、A柱裝飾板（后）和B柱裝飾板；對門檻區(qū)域因為踩踏剛度要求較高，同時該區(qū)域同樣相對寬度較小，因此拆分為側(cè)包圍裝飾板；最后形成側(cè)圍結(jié)構(gòu)上最大的部件為后側(cè)圍裝飾板。各部件完成分件注塑成型后再通過組合裝配后形成完整的側(cè)圍外板。

3 塑料側(cè)圍外板材料選擇

塑料側(cè)圍外板在材料選擇方面需要兼顧剛性、成本、注塑工藝、抗老化和尺寸穩(wěn)定性等；常規(guī)PP材料具有良好的注塑流動性，同時也具備良好的抗沖擊性能，是保險杠等車身外覆蓋件的常用材料之一；但是因為側(cè)圍外板對剛性和注塑成型性等要求更為苛刻，因此選擇機械性能更好的的PC+ABS材料，PC+ABS材料結(jié)合了PC和ABS的優(yōu)異特性，和PP和ABS材料相比，具備同樣良好的流動性。

4 塑料側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 側(cè)圍外板和環(huán)境件搭接設(shè)計

塑料側(cè)圍外板結(jié)構(gòu)上需要和風(fēng)窗玻璃、頂蓋、后尾燈、后保險杠、車門等系統(tǒng)配合，塑料側(cè)圍外板一般通過螺栓、卡扣等在總裝線上裝配到車身上，因此在和環(huán)境件的匹配時需要設(shè)計合理匹配搭接關(guān)系。在和周邊環(huán)境件搭接時如圖2所示，對于后尾燈等需要有一定間隙配合的部件，在側(cè)圍外板上設(shè)置折邊，保證間隙的同時消除內(nèi)側(cè)遮蔽不良問題；在頂蓋或風(fēng)窗玻璃區(qū)域，頂蓋或風(fēng)窗玻璃通過粘接膠沿其周邊粘接在車身骨架上，需要對粘接膠進行遮蔽，為了保證遮蔽和配合美觀，采用大間隙配合，通過加裝裝飾條進行二次遮蔽；對于配合間隙敏感區(qū)域如側(cè)圍外板和后保險杠等，為保證間隙面差和固定可靠性，通過設(shè)置獨立安裝支架將塑料側(cè)圍外板的翻邊和保險杠翻邊同時固定在一起，實現(xiàn)0間隙的配合同時可以保證其面差穩(wěn)定性；在門洞區(qū)域，塑料側(cè)圍外板需要和車門配合形成門洞的密封結(jié)構(gòu)，因此需要設(shè)置一定的密封條配合面，保證車門密封條在車門關(guān)閉狀態(tài)下和塑料側(cè)圍外板均勻貼合后形成密封結(jié)構(gòu)。endprint

4.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對塑料側(cè)圍外板的拆件設(shè)計后形成A柱裝飾板（前）、A柱裝飾板（后）均為細長條狀結(jié)構(gòu)；截面形狀外鼓，同時車身骨架此處結(jié)構(gòu)限制導(dǎo)致其不能直接采用隱藏式卡扣或螺栓進行固定，因此主體采用粘接膠的方式固定，在端頭部位和在側(cè)窗玻璃配合搭接邊上通過螺栓進行輔助固定。為體現(xiàn)造型特征，A柱裝飾板和車身骨架之間一般存在較大的間隙，無法直接粘接，如圖3所示，設(shè)置“幾”型過渡支架，過渡支架上下翻邊和A柱裝飾板粘接形成總成件，通過過渡支架的另一面將總成直接粘接在車身骨架上。如表2所示，支架和裝飾板之間，因為材料相同，熱系數(shù)一致，剪切應(yīng)力較小，考慮到成本和施工容易度，采用單組份普通粘接膠進行粘接，對于總成和骨架之間因材料不同，熱膨脹系數(shù)不同，剪切應(yīng)力較大，因此采用剪切強度較大的雙組份粘接膠。

通過對塑料側(cè)圍外板的拆件設(shè)計后，后側(cè)圍裝飾板為結(jié)構(gòu)上最大主體部件之一，如圖4所示，后側(cè)圍裝飾板在門洞周邊為保證良好外觀效果，采用隱藏式卡扣進行固定，在車身骨架有密封要求處采用帶有密封功能的塑料卡扣，在沒有密封要求的骨架結(jié)構(gòu)處采用卡接力較大的金屬彈片卡扣進行固定；后側(cè)圍裝飾板在和后保配合區(qū)域，為保證該處間隙面差穩(wěn)定可靠，通過一個獨立支架將側(cè)圍外板的翻邊和后保翻邊同時卡接在支架的同一個卡接槽中進行固定，該支架先通過螺栓固定在車身骨架上；后側(cè)圍裝飾板在和其他周邊件搭接區(qū)域通過延伸邊上設(shè)置螺栓的方式進行固定，相關(guān)件裝配后對后該處延伸裝配點進行遮蔽，這種固定方式因為固定點在另一個零件的遮蔽下，因此還需要考慮各個零件之間的拆裝方便性。

對側(cè)包圍裝飾板和B柱裝飾板結(jié)構(gòu)同樣采用隱藏式帶密封功能的塑料卡扣和螺栓配合的形式固定在車身骨架上。

4.3 剛度設(shè)計

側(cè)圍外板最重要的功能之一就是保證良好的支撐剛度，通過分件設(shè)計后，對剛度要求較大的部件主要為A柱裝飾板和后側(cè)圍裝飾板，如圖5所示，A柱裝飾板在固定過程中設(shè)置了如圖所示“幾”字型過渡支架，起到很好的支撐作用，通過CAE仿真一定的圓柱面積上施加90N按壓力，變形量均小于目標值。

后側(cè)圍裝飾板通過CAE分析識別出剛度較差的部位，如圖6所示在剛度較差的大平面部位增加支撐凸臺，支撐凸臺和車身骨架通過蘑菇搭扣進行過渡連接，保證起到良好支撐的同時消除兩者之間可能發(fā)生的異響問題。如表1所示，后側(cè)圍裝飾板增加4處改善剛性的支撐臺后通過CAE再次仿真驗證，通過仿真對比，后側(cè)圍裝飾板的指壓剛度大幅提升，其結(jié)果能滿足既定的設(shè)計指標。除后側(cè)圍裝飾板和A柱裝飾板外，側(cè)包圍裝飾板和B柱裝飾板的剛度設(shè)計均以此方法進行設(shè)計和驗證。

4.4 維修方便性

側(cè)圍外板是車輛最外側(cè)的防護部件，在車輛行駛過程中容易出現(xiàn)刮擦損壞等情況，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要重點考慮其維修的方便性，對于塑料部件維修方便性主要指更換方便性。塑料側(cè)圍外板根據(jù)分塊特征，所有分塊部件中側(cè)包圍裝飾板在車輛兩側(cè)造型相對凸出、高度較低，在泊車或行駛過程中最容易造成刮擦等損壞；后側(cè)圍裝飾板因為防護面積大，易刮蹭程度次之；A柱裝飾板因為位置較高，一般不容易出現(xiàn)刮。為保證塑料側(cè)圍外板的維修方便性，結(jié)構(gòu)設(shè)計上優(yōu)先保證最易損壞側(cè)包圍裝飾板能夠獨立拆裝，以便損壞后容易維修更換，因此除了采用可以直接拆卸的螺栓和卡扣固定外，在和周邊件搭接配合時采用側(cè)包圍裝飾板搭接在其他配合件之上的形式，使其在裝配工序相對周邊部件處于最后一步工序，實現(xiàn)其獨立拆裝特性；后側(cè)圍裝飾在安裝結(jié)構(gòu)上采用卡扣和螺栓的結(jié)構(gòu)進行固定，保證可以實現(xiàn)拆卸，拆裝順序僅此于側(cè)包圍裝飾板；A柱裝飾板因為不容易損壞，受制于結(jié)構(gòu)限制采用粘接膠固定，維修更換相對困難，在和其他分塊部件的搭接配合部位，均設(shè)計為其他部件搭接在A柱裝飾板之上，避免限制其他周邊件的拆裝方便性。在維修方便性的設(shè)計時的設(shè)計原則是易損件在拆卸過程中保證獨立可以拆卸或相對容易拆卸，較難拆裝的部件盡量不影響易損件的拆卸或設(shè)計為拆卸過程中相對靠后的拆卸工序。

5 輕量化

在滿足既定的功能性能目標前提下，不考慮塑料側(cè)圍外板內(nèi)側(cè)的各種安裝支架和金屬側(cè)圍外板內(nèi)側(cè)的各種加強板，塑料側(cè)圍外板和金屬側(cè)圍外板的重量對比見下表，由此可知，本案例中塑料側(cè)圍外板相比金屬側(cè)圍外板有較明顯的輕量化優(yōu)勢。

6 結(jié)論

為保證塑料側(cè)圍外板具備側(cè)圍外板的基本性能，達到輕量化、低投資的目的，通過分件設(shè)計，將側(cè)圍外板分件為后側(cè)圍裝飾板、A柱裝飾板、B柱裝飾板和側(cè)包圍裝飾板等結(jié)構(gòu)，簡化了塑料側(cè)圍外板的成型工藝；通過優(yōu)化和環(huán)境件的匹配結(jié)構(gòu)，保證塑料側(cè)圍外板的各分塊結(jié)構(gòu)拆裝簡單，匹配結(jié)構(gòu)合理；塑料側(cè)圍外板采用粘接、螺栓、卡扣等復(fù)合連接結(jié)構(gòu)進行固定，保證側(cè)圍外板固定牢靠，指壓剛度等滿足性能指標。

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